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可插拔相干光模块白皮书

可插拔相干光模块经历了长时间的升级迭代,在现代远程光纤通信链路中发挥了重要作用。

用于DWDM传输的相干光模块已发展了一段时间,不过通常被用于特定供应商的封闭工程系统。而针对MSA和其他标准而设计的可插拔相干模块导致了相干可插拔光学工程系统的出现。IEEE802.3在ZR PMD上工作,使用DWDM进行100G和400G的80km传输研究,这引起了对可插拔相干光模块开发和部署的广泛兴趣。

如今的光接口

如今,可插拔接口的灵活性一直是以太网光传输成功的主要因素,它允许用户扩展带宽,并适当的调整成本。以400G以太网为例,最终用户可以拥有广泛的接口类型来支持每种潜在的应用:

标准400G以太网接口的PMD,特征和应用

表1:标准400G以太网接口的PMD,特征和应用

传统上,可插拔光模块的大多数应用都落在10km及以下,因此可以通过直接连接铜缆、基于多模VCSEL或单模直接检测光学技术进行有效地解决。随着数据速率的提高,信令速率稳步提高,并且随着400G的发展,出现了向更高阶调制(NRZ=>PAM4)的升级。但是,绝大多数应用都采用了传统的“直接检测”技术。

传统上,基于可定制的光器件和ASIC(特殊应用集成电路)的高性能,特定于供应商的相干线卡模块可以解决传输更长距离的问题,但是许多供应商已经研发出与客户端“插槽”兼容的高性能可插拔模块(尽管对电源,冷却和管理的要求更高)。最初的重点是电信应用,但是在诸如数据中心互连(DCI)等领域已经出现了一个越来越大的市场。长距离传输问题最好通过相干技术解决,并选用有市场潜力的高密度封装(包括电源和冷却),并且必须要低成本才能与市场预期保持一致。

如今的客户侧光接口

如今客户侧光模块已有多种类型的封装,但在客户端界面中最受欢迎的有两个系列,SFP系列和QSFP系列。SFP系列通常具有一条电气通道和一条光通道,通常用于“终端设备”(例如服务器或手机基站);而QSFP系列使用并行光通道和电气通道(传统上使用4条电气通道,而大多数情况下,将4条光通道用作并行光学器件或将单根光纤与CWDM光栅上的信号一起使用)。

当前用于客户端接口的最先进的400G可插拔模块是QSFP-DD模块,它通常用在处理最大带宽的交换机,路由器和传输设备等元件。融合了高速数字电子产品,宽带和低噪声模拟电子产品、DSP固件、微控制器、集成的光器件以及机械集成,所有高性能都导致了高成本。

需要解决几个关键问题:

可插拔的电气接口(在QSFP-DD中是双面,双堆栈连接器)将并行的高速电气主机引入模块接口。在400G以太网上,这通常是8条并行差分通道,这些通道使用PAM4调制,并使用高性能数字SERDES,并支持主机到模块接口的均衡。连接器还需要提供命令/控制接口,通常这些接口基于使用协议的I²C之类的双线接口。最新的400G QSFP-DD通常使用CMIS 4.0,这是一种针对400G的需求和应用而设计的高级状态协议。电源(通常在超过4A时为3.3V)经过连接器,为模块中的电器件和光器件提供了电源。

模块内部的高度集成的IC包括SERDES,现在通常基于DSP,支持主机和模块之间的均衡,并提供从8通道28Gbd PAM4到4通道100x /λ(56Gbd PAM4)的多路复用和解复用)用于光接口(例如DR4和LR4)。IC需要复杂的固件,尤其是DSP代码,并且通过微控制器协调对模块的管理和控制,该微控制器将用于协议模块管理的协议栈(即CMIS 4.0),所有正常的日常维护和管理(如冷却和电源管理)整合在一起,DSP的固件加载和管理,当然还有光器件的所有要求。光器件将由高度集成的激光器和接收器组成,这些发射器和接收器均符合诸如IEEE 802.3之类的严格而精确的标准。发射器和接收器都需要展现出宽带宽,低噪声和良好的线性度,以应对功率和散热要求。

组件安装在必须处理信号完整性问题的微型PCB上,然后全部集成到QSFP-DD封装的苛刻体积要求中,QSFP-DD确实是一个多学科的工程奇迹。

如今的相干光模块

相干光模块在现代远程光纤通信链路中发挥了重要作用。它们通常专注于最高性能,并在大型固定模块上使用定制的光器件和ASIC。

相干光模块的演进–从线卡到可插拔

图1:相干光模块的演进–从线卡到可插拔

如上图所示,从设计的高性能线卡到开放的可互操作工程系统的演进需要将许多部分整合在一起,并且还对测试,验证和生产提出了许多挑战。尽管供应商生产了100G和200G(采用CFP和CFP2封装)的可插拔模块,但这种生态系统的最佳选择出现在400GE上,在两个不同的市场提供DCI,城域和DWDM服务。

在400G最佳领域出现的两个不同的DCO市场

图2:在400G最佳领域出现的两个不同的DCO市场

在ZR,ZR+和OpenROADM中,城域传输、数据中心互连空间可能会进一步细分,尽管从中期来看,这些应用(基于QSFP-DD和OSFP等更紧凑的封装)将由用户使用一种类型的模块来解决,通过软件和固件启用可选操作模式。

客户光学设备通常使用简单的强度调制(传统上是NRZ –开/关键控– OOK),但随着400G的出现,PAM4调制在每通道50G及以上速率中普遍应用。相干调制利用光的相位和偏振来提供更高的调制能力,并且由于接收器具有相位和偏振态灵敏度,因此色散补偿也可以电器件执行。传统的调制将需要补偿40km以上距离的链路分散。传统客户光学器件中使用的简单强度调制非常直观,激光器(直接调制激光器——DML或通过外部调制激光器——EML)对其光强度进行调制,与数据保持一致。有时称为开关键控,OOK。目前的实际上限大约为50GHz,因此28Gbd和56Gbd(100G/通道)用于市场的批量生产(成本合理)的设备是可行的。已经证明了200Gb/通道的更高带宽,但是这些技术仍然比较新。

通过相干调制,可以利用光,偏振和相位的高级属性来提供更高的数据速率,但代价是发射器和接收器的复杂性更高。

相干传输系统关键图示

图3:相干传输系统关键图示

典型的相干和DWDM系统使用1550nm波段,这是最小损耗的区域,因此适合更长距离传输。发射器激光器发出的光(通常是可调谐的,并且是集成可调谐激光器组件的一部分– ITLA)被分成两个路径,然后对每个路径进行相位调制(IQ调制),然后将两个路径重组为两个垂直偏振态。这种光子组件通常将高度集成,并可能利用硅光子技术来满足可插拔光学封装的密度,性能和价格要求。在大多数情况下,四个I/Q调制器将由集成在DSP中的高性能DAC驱动。这将执行一系列编码功能,包括成帧器,FEC和符号映射器,并且通常将成为IC的一部分,该IC还执行相干接收器功能。

现在经过相位,偏振和幅度调制的光信号(与更简单的客户端接口上的单幅值调制相反)沿着光纤链路传输,否则会受到衰减(损耗),色度和偏振色散以及其他影响会降低发射端光信噪比。

在接收器处,输入光信号被分离为垂直偏振态,然后被分成同相和正交(I&Q)分量,然后在该分量中被另一个(可调谐)激光器进行异相处理,从而产生一个入射到光电探测器上的基带信号。然后,所产生的信号被DSP的接收器部分数字化处理,这将在下面进行详细描述。

可插拔相干光模块

大量网络设备具备可插拔模块插槽,CFP2系列在QSFP系列主导的电信应用中得到了广泛部署。由于对QSFP-DD的改进,OSFP在某些方面也获得了支持。

QSFP-DD/OSFP/CFP2的可插拔封装

图4:QSFP-DD/OSFP/CFP2的可插拔封装

用于线路侧传输的相干可插拔模块比典型的可插拔客户端模块要灵活得多。在QSFP-DD等可插拔客户端模块中,我们通常在模块的入口和出口看到相同的信号结构。整个电接口(主机)和光接口(客户端)的帧和编码是一致的。相反,相干的应答器可能在主机端支持相同的结构,但是输出信号结构会非常不同(例如在ZR接口上使用C-FEC(级联FEC)的单载波相干DP-16QAM调制信号)。

客户端和线路端编码之间的显著差异会影响测试范围。在相干的CFP2-DCO应答器中,复杂度可能更高。在电信应用中,CFP2-DCO模块可以支持基于以太网和基于多服务的客户端。400GE,4x100GE对于以太网应用具有广泛的吸引力,而OTN和FlexO提供了满足多种服务需求的强大功能,这对于电信来说是重要的应用。

带宽还可以根据客户端的动态带宽需求进行扩展,例如nx100G以太网的可扩展性,可以从1到4个客户端扩展以填充400G。对于OTN主机信号,有多种选择:1或2*带NRZ的OTL4.4,或400G时编码为4*OTL4.2/4*OTLC.2的PAM4,具有不同的服务能力。提到的接口反映了较早的结构或较早的400G结构的迁移路径。

未来的OTN接口可以基于具有100G,200G或400G变体的FOIC(FlexO接口)技术。主机FOIC接口受KP4 FEC保护

FOC标准

表2:FOC标准

线路侧结构基于100G,200G和400G实体,但是不再有主机侧看到的混合结构。根据链路参数(例如损耗,光信号到噪声和色散),可以使用不同的FEC来匹配所需的编码增益,性能等。示例包括CFEC(级联FEC),OFEC(开放式FEC)以及专有FEC 。

可插拔数字相干光模块(DCO)需要将大型相干线卡的许多功能集成到紧凑型可插拔模块中。它包括使用可调谐激光器的高度集成的光学相干接收器和发射器,其中许多元件通常需要诸如硅光子学之类的先进技术。相干光学器件还需要高度集成的DSP,以提供数字相干接收器的所有功能。接收部分的框图如下所示。

DCO的接收部分框图

图5:DCO的接收部分框图

模数转换

接收器的输入必须以奈奎斯特频率或更高的频率数字化,并且由于典型的相干系统使用相位和极化分集,因此您至少需要4个高速的ADC。它们需要具有合适的分辨率和线性度,尽管它们将由光电二极管和跨阻放大器(TIA)进行处理,但它们可能需要很宽的动态范围。

DSP功能块

DSP相干接收器需要以下功能块:

接收器侧所需的数字相干模块DSP功能

表3:接收器侧所需的数字相干模块DSP功能

当然,必须对所有功能进行控制,协调和实时跟踪,因此DSP具有大型复杂的控制结构,通常与复杂的DSP固件交织在一起。DSP必须支持许多不同的工作模式和速率,这些模式和速率可能是ZR或ZR+等标准与特殊供应商专有模式的混合。与简单的客户端模块偶尔需要报告一些简单的链路参数(例如信号丢失(LOS)或光功率)不同,DCO中的DSP必须实时报告多个复杂的参数,以便主机可以管理和跟踪链路的运行状况。一小部分参数包括:

DSP可以报告的模块参数选择

表4:DSP可以报告的模块参数选择

其他常规参数可能包括模块状态,工作温度,激光参数。这些参数的管理,控制和报告(其中许多参数在制造过程中需要在波长和温度上进行校准)要求DSP,模块微控制器和固件以及主机接口之间紧密耦合。

模块管理与控制

DCO模块是完整的DWDM线卡已集成到可插拔光学元件中,管理接口是所有功能的关键。多年来,客户端光学已经使用基于简单内存映射协议的两线接口(例如I²C)(SFF8636如今广泛用于4通道模块(例如QSFP28)),但是随着400G类客户端模块的出现,显而易见的是传统解决方案无法满足现代应用的要求。经过业界共同努力,CMIS4.0出现,成为了QSFP-DD等400G客户光学设备的管理接口标准。DCO的管理要比客户端光学系统复杂得多,并且业界正在为协调模块管理寻找不同的途径。OIF C-CMIS采取的一种方法是在CMIS 4.0的框架上构建并添加用于相干应用的扩展,这是QSFP-DD和OSFP模块的可能途径。它们很可能已经用于支持CMIS 4.0堆栈的主机中,因为QSFP-DD和OSFP客户端将使用它们。另一种方法基于CFP MDIO概念,但对DCO进行了显著增强,该方法建立在用于100G和200G应用的第一代和第二代CFP和CFP2 DCO模块使用的基础上。

DCO功能块

图6:DCO功能块

可插拔相干光模块经历了长时间的升级迭代,在现代远程光纤通信链路中发挥了重要作用。随着400G的发展,400G可插拔相干光模块拥有广阔的前景。

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